45Mn2材料水—空淬火工藝研究

寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司 （石嘴山 753001） 米 佩

我公司采用的中碳合金鋼材料種類主要有42CrMo、40Mn2、45Mn2等，其中45Mn2鋼約占20%，傳統(tǒng)熱處理工藝采用油進(jìn)行淬火，但是采用油淬時存在以下不足：一是淬火時產(chǎn)生大量的油煙，不僅污染環(huán)境，而且危害操作工人的身體健康；二是油的成本遠(yuǎn)大于水的成本，且油容易老化，換新油成本太高，不換則產(chǎn)品質(zhì)量不好保證，經(jīng)常出現(xiàn)工件調(diào)質(zhì)后硬度不能滿足技術(shù)要求的情況，容易造成返工；三是淬火時如操作不當(dāng)，容易發(fā)生火災(zāi)。

近幾年來，我們已積累了42CrMo、40Mn2等材料的水-空控時淬火工藝，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公司多種產(chǎn)品，積累了中碳合金鋼水-空控時淬火的實際經(jīng)驗。但45Mn2材料C、Mn含量較高，薄壁套類零件在淬火過程中容易開裂。為消除油淬火帶來的不利影響，經(jīng)充分討論，熱處理技術(shù)人員決定大膽創(chuàng)新，組織對45Mn2材料產(chǎn)品進(jìn)行水-空控時淬火試驗。

一、試驗材料及方法

1.試驗材料

45Mn2鋼具體成分如表1所示。技術(shù)要求：調(diào)質(zhì)處理280～320HBW（相當(dāng)于30～35HRC），調(diào)質(zhì)處理后工件無裂紋。試驗件工藝路線：鍛造→粗車→調(diào)質(zhì)→加工；數(shù)量：3件；規(guī)格：φ70mm×300mm。

表1 試驗用45Mn2鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.試驗參數(shù)及方法

本次試驗采用普通臺車電阻爐，功率100kW。

（1）調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)的選擇 對45Mn2材料試棒進(jìn)行水-空、油、水基淬火液淬火，45Mn2屬于亞共析鋼，材料的Ac3為770℃，通常淬火溫度選取Ac3以上30～50℃，根據(jù)選取的淬火冷卻介質(zhì)冷卻能力的大小選擇適當(dāng)?shù)拇慊饻囟取Ｓ偷睦鋮s速度慢，所以油淬火溫度選擇常規(guī)淬火溫度860℃；水基淬火液和水的冷卻速度非常快，因此，在試驗時先采用800℃作為淬火溫度。

因油在低溫區(qū)具有較慢的冷卻速度，所以試棒采用油進(jìn)行淬火，入油冷卻時間取5s/mm；水基淬火液在高溫區(qū)具有較快的冷卻速度，但當(dāng)工件溫度低于300℃后冷卻速度相當(dāng)于油的冷卻速度，所以水基淬火介質(zhì)冷卻時間與油相同；因水在工件溫度低于300℃后具有較快的冷卻速度，為了防止工件在低溫區(qū)淬火開裂，冷卻時間取1～1.5s/mm。具體參數(shù)見表2。

表2 45Mn2試樣調(diào)質(zhì)處理工藝參數(shù)

（2）硬度、金相顯微組織、力學(xué)性能檢測 對試樣淬火、回火處理后進(jìn)行硬度、金相組織、力學(xué)性能檢測，其中試樣表面硬度檢測采用HBC型錘擊式布氏硬度計，按照GB/T231—2009《金屬材料布氏硬度試驗》規(guī)定檢測試樣布氏硬度；試樣切片采用TH301洛氏硬度計檢測硬度；用光學(xué)顯微鏡DM13000M，按照GB/T13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》規(guī)定檢測顯微組織。按GB/T228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》規(guī)定檢測材料抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率；按照GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》規(guī)定檢測常溫沖擊吸收能量。

（3）結(jié)果對比 對比采用三種不同的淬火冷卻介質(zhì)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后，試樣的硬度、金相顯微組織、試樣切片硬度的區(qū)別。同時，根據(jù)試樣水-空控時淬火試驗數(shù)據(jù)，制訂產(chǎn)品調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)。

二、試驗結(jié)果及分析

1.45Mn2材料試樣試驗結(jié)果與分析

采用表2中參數(shù)處理后試樣切片如圖1所示，淬火后切片硬度見表3，回火后切片硬度見表4，回火后相對應(yīng)的金相顯微組織如圖2所示，金相檢驗結(jié)果見表5，力學(xué)性能見表6。

圖1 試樣切片及硬度檢測部位示意

從表3、表4分析得出：采用三種不同的淬火冷卻介質(zhì)處理后，工件淬火后都得到馬氏體組織（45Mn2材料半馬氏體硬度為45HRC），其中，采用油淬火后淬硬層深度為10mm，采用水基淬火介質(zhì)淬硬層深度為20mm，采用水-空淬火淬硬層深度為30mm，采用表2工藝參數(shù)回火后，因回火溫度高，油淬試樣切片硬度與水基淬火介質(zhì)試樣切片硬度低于技術(shù)要求，水-空淬火試樣切片硬度符合技術(shù)要求。

表3 不同淬火冷卻介質(zhì)淬火后切片的硬度值 （HRC）

表4 調(diào)質(zhì)后切片的硬度梯度值 （HRC）

圖2 采用三種介質(zhì)調(diào)質(zhì)處理后45Mn2試樣金相組織

表5 不同淬火冷卻介質(zhì)調(diào)質(zhì)處理后金相結(jié)果

表6 不同淬火冷卻介質(zhì)下的力學(xué)性能結(jié)果

從圖2、表5分析得出：金相顯微組織采用水基淬火介質(zhì)組織最好，水-空淬火次之，油淬火組織最差為4～5級。采用油淬火組織差的原因主要是油的冷卻速度慢，在淬火過程中，部分奧氏體因冷卻速度不足，發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，甚至有部分條狀及塊狀鐵素體析出。

從表6可以看出：各項力學(xué)性能油的抗拉強度最好，水-空次之；但水-空的屈服強度、伸長率、斷面收縮率、沖擊吸收能量等性能最好。所以綜合考慮，水-空淬火各項性能較佳。

綜合考慮硬度、淬硬層深度、金相顯微組織、各項力學(xué)性能，認(rèn)為45Mn2材料水-空淬火工藝可行，制訂45Mn2材料軸承座調(diào)質(zhì)工藝。

2.45Mn2材料水-空控時淬火工藝在軸承座調(diào)質(zhì)處理應(yīng)用實例

（1）軸承座技術(shù)要求及調(diào)質(zhì)熱處理參數(shù) 技術(shù)要求：調(diào)質(zhì)處理280～320HBW，工藝徑向留加工量4mm。要求工件處理后徑向變形≤2mm。調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)：裝爐方式見圖3，淬火溫度選擇800℃，回火溫度550℃，保溫時間90min。每次水冷卻時間為取1～1.5s/mm。共試驗10件，具體調(diào)質(zhì)參數(shù)及試驗結(jié)果見表7。

圖3 軸承座裝爐方式示意

表7 軸承座調(diào)質(zhì)處理工藝參數(shù)及試驗結(jié)果

（2）試驗結(jié)果與分析 從表7分析得出，軸承座采用上述工藝參數(shù)處理后，硬度滿足技術(shù)要求280～320HBW，且工件外圓徑向變形小于1.0mm，滿足工藝變形要求，工件無開裂現(xiàn)象。

采用水-空控時淬火變形小的原因是工件在淬火過程中，工件各處冷卻速度相當(dāng)；工件在高溫期冷卻速度快，熱應(yīng)力增大，同時可抵消大部分組織應(yīng)力。

采用水-空控時淬火的關(guān)鍵點在于控制工件在高溫期快的冷卻速度、低溫期慢的冷卻速度。在高溫期采用水作為淬火冷卻介質(zhì)，從而獲得大于臨界冷卻速度，確保奧氏體不發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，大部分直接轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而在低于Ms點以下的低溫區(qū)，采用空氣作為淬火冷卻介質(zhì)，獲得較低的冷卻速度，以減少工件的組織應(yīng)力。如在高溫期冷卻速度不足，則造成工件淬火后硬度低，如在低溫區(qū)冷卻速度太快，則會造成工件組織應(yīng)力過大，當(dāng)組織應(yīng)力超過材料的抗拉強度時，工件就會開裂。

三、結(jié)語

（1）根據(jù)實際淬火經(jīng)驗得出，45Mn2材料采用水-空控時淬火工藝可行，淬火溫度選擇800℃，當(dāng)工件的有效厚度≤60mm時，水冷卻總時間為取1～1.5s/mm（水溫低取下限，水溫高選擇上限），分2～3次進(jìn)行冷卻。空冷時間以工件在空氣中返熱溫度超過320℃為界限，當(dāng)工件返熱溫度超過320℃，工件再次入水冷卻（45Mn2材料Ms點為320℃）。

（2）采用此種工藝方式處理后，工件硬度滿足技術(shù)要求，變形≤1mm，金相組織滿足GB/T13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）采用此種工藝的優(yōu)點：一是節(jié)約成本，就軸承座與原來的工藝相比，每年可節(jié)約工裝成本8000元，節(jié)約電費14000元，節(jié)約油耗32000元，總計54000元；二是減少油煙對環(huán)境的污染，改善了員工的作業(yè)環(huán)境，同時在淬火過程中不會發(fā)生火災(zāi)。但缺點是淬火操作過程中對操作者的技能要求高，在淬火過程中如操作不當(dāng)，容易造成工件開裂。因此，建議購買新的淬火設(shè)備，實現(xiàn)通過數(shù)控控制工件冷卻時間，減少人為因素，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。

（20131104）